意法爱立信移动平台多核处理技术(二)

2013-10-14 19:31:55来源: 互联网
移动平台并没有出现我们看到的台式机CPU 演进过程中的饱和状态,这是因为智能手机市场刚刚开始高速增长,是平台厂商进一步优化处理器架构和硅技术起主要动因,而竞争不激烈的传统嵌入式系统市场却没有这种动因。显然,PC 机更成熟的超级优化的架构和硅技术与智能手机平台刚起步的架构与技术之间存在很大的差异:

PC单核处理器在2003 年达到散热极限时,此后性能再也没有增长的空间;而移动平台则不同,智能手机时代始于2007 年,移动单核处理器还拥有巨大的性能提升空间,到今天为止,还没有迹象显示移动平台性能饱和。

人们不禁要问:为什么移动平台不同于PC 处理器,在单核性能达到饱和前就转向多核处理器?

我们认为有两个原因,第一个原因是,移动计算产品沿用数十年前的技术知识,特别是人们普遍知道,现代的操作系统能够更高效地利用双核处理器,高速缓存一致性和多任务处理操作系统等基本技术已经到位。因为能够充分利用双核处理器,就没有必要再等。而且,这个过程进展得非常快;第二个原因是进攻性的营销策略。

像大多数商用平台一样,CPU 在进入四核时代后的发展方向目前尚不清楚,PC 业的经验告诉我们,即使多核处理器存在于市场10 年后,使用双核以上的处理器对于大多数软件是没有实用意义,唯一的技术解释是移动应用软件比PC 软件更易于多核处理,但是,我们在短时间内不会看到这种情况发生。

事实上,有说服力的技术原因根本就不存在。动机似乎都与市场营销有关,因为智能手机市场竞争激烈,多核处理器是一个很有进攻性的武器。目前,厂商利用处理器内核数量使自己的产品保持差异化,甚至消费者也这样做。具有讽刺意义的是,技术上没有任何新发明,市场营销上没有新意,相同的广告词早在PC 多核问世时就被广泛使用。像PC 机一样,人们很快就会意识到,移动设备内的CPU 内核数量与产品带给客户的真正价值没有直接关联。

网络浏览器是最重要的手机应用软件之一,也是手机高性能CPU 的最大受益者,同时还是要求严格的PC 级应用软件的一个实例,浏览器的性能非常重要,因为它直接影响用户视觉互动性。随着网络带宽不断增加,今天的处理速度已处于临界线,将来HTML5 rich API 和不断增加的编程内容(javascript)对处理速度要求更高。网络浏览器还是高效使用今天的双核处理器的一个很好的实例,因为操作系统支持功能、软件工程、人机互动(防止UI 死屏)、安全性和稳健性(不同处理过程中的多个标签)的原因,浏览器引入了并行活动。但是,因为缺少充足的均衡的软件并行技术,浏览器无法满足双核以上数理器的运行需求,测试结果显示,处理器从双核进化到四核,浏览器性能提升很小或根本没有提升。

图4 所示是在同一四核处理器硬件/软件平台上运行的两款主流浏览器的测试成绩,通过软件设置(热插拨)可以选择不同的处理器数量,因此,测量结果完全是同一硬件/软件环境的真实数据。在所有的配置中,工作频率完全相同。相对分数是指在多次重复测量中若干个主流网站上的网页加载时间的平均值,因此,这个用例代表了真实的网站浏览体验,而不是人为的基准测试。当从单核切换到双核时,速度提升30%是一个较好的成绩,符合预期。然而,从双核切换到四核时,处理速度只取得0-11%的提升。在双核处理器上进行相似的测试,从单核切换到双核时,处理速度提升高达50%。

另一方面,如前文分析PC 处理器时提到的,不论处理器有多少个内核,频率提高总是有益于提升软件性能。当对多核处理器方案进行比较时,这一点很重要,因为处理器内核增加会对频率产生负面影响。互连线和存储器等共享资源冲突,高速缓存、一致性电路的扩展受限,这些因素都会限制多核处理器的频率提升。为提升多核处理器的总体频率,需要使用软件多核处理方法补偿多核处理器降低的频率。例如,我们在以前的折衷分析 [5]中提到,四核处理器的频率比双核处理器降低约27%,软件必须有70%的代码实现并行化,才能使四核处理器的性能优于双核处理器,这是一个很大的比例,几乎没有应用软件能够达到这个水平,当然不是通过原生并行,因为取得如此高的平行化,需要特殊的专门的并行化工作。

前文提到软件并行化程度很低,所以速度较快的双核处理器可轻松战胜速度较慢的四核处理器,这种现象在网络浏览器中特别明显,如图5 所示,为了与1.4GHz 的双核处理器比较,我们人为的将四核处理器的配置降至1.2GHz,从图中可以看出,即便两者频率相差很小,低于20%,速度较快的双核处理器始终优于速度较慢的四核处理器。

我们对手机的其它重要应用软件进行了类似的测试,例如,视频游戏、程序启动时间和多媒体功能,每次都取得相似的结果:在频率相同的条件下,CPU 从双核进化到四核,性能提升很小或根本没有提升;当速度相差15-20%时,速度较快的双核总能击败速度较慢的四核。

从正面看,智能手机搭载四核处理器应当会刺激软件开发人员更有效地利用四核处理器,希望比PC 业在最近10 年做得更成功。智能手机的可用资源比PC 机的可用资源更敏感,即使移动处理器无限接近PC 处理器,两者之间还有很大差距。在软件方面,在移动移动平台上运行级的应用软件还有很大的压力,综合以上,再加上更低的功耗限制和更激烈的市场竞争环境,这些应该给软件开发人员足够的动机,投入更多的资源提高多核处理器的利用率。

多媒体是一个令人关注的领域,这个领域通常对处理性能要求严格,多媒体软件自然适合并行化。扩增实境、计算摄影学、手势识别等令人兴奋的新应用领域都将应用并行处理技术,因为这些功能的稳定性不适合硬件加速。在这些应用领域,多核处理器也有竞争技术,通用图形处理器(GPGPU)同样是可编程多核处理器解决方案,不同的是,GPGPU 将代码映射到GPU 而不是CPU。目前,GPGPU 的编程难度比多核CPU 更大,但是GPU 硬件发展速度很快,编程模型和工具也取得很大进展,因此,目前发展趋势还不明朗。

异构多核处理技术

移动异构多核处理器的设计原理是,使用高性能但功耗高的处理器执行要求严格的应用任务,使用速度慢但高能效的处理器运行要求不高的任务。目前市场上已经有异构四核处理器平台,例如,NVIDIA 的 Tegra 3 采用的Variable SMP [6]技术,采用 ARM big.LITTLE[7]解决方案的异构多核处理器预计不久就会上市。这个想法当然很好,但是成功还需要一些时间;像比较双核与四核处理器一样,简单的解决方案只要可行,总是被优先选用,特别是涉及复杂的软件修改时,简单的解决方案总是胜出。我们稍后将分析如何利用 FD-SOI 硅技术以更简单、更有效的方式达到同样的效果。

异构多核处理器使软硬件都变得十分复杂,图6 所示是ARM big.LITTLE 硬件解决方案。

硬件变复杂的主要原因是,处理器高速缓存只有保持一致性,才能用于智能手机操作系统假设的共享存储器系统,为此,AMR 在互联线上引入了ARM ACE 接口技术,但这却提高了硬件复杂程度,导致缓存一致性流量增加。

在软件方面,如果把架构的全部潜力都发挥出来,系统异质管理对于操作系统可能是一件非常复杂的任务。理论上,操作系统应该有足够高的智能,能够区别要求条件不同的应用任务,将其分配给大处理器或小处理器执行。为限制在昂贵的集群器间移植软件,这些决策应该相对稳定。同时,应用软件可能会突然改变行为,系统必须能够迅速做出响应,这需要提高动态电压和频率,而且在两个集群器上单独进行,增加要考虑的功率状态的数量。不仅今天的操作系统无法提供发挥多核处理器的全部潜能所需的先进复杂技术,而且错误的决策在实际应用中可能会适得其反,大量的软件移植会引起用户可见的系统故障,错误决策引起性能降低或浪费电能。

完美地支持异构多核处理器需要多年的研发活动和优调技术。

为了限制系统做出错误决策的风险,研发人员开发出了中间解决方案,但是,该解决办法需要以降低多核处理器潜能利用率为代价。例如,某个解决方案通过专属方式使用大小 集群器,即不是并行处理,而是根据系统总体负荷从一个集群器切换至另一个集群器,以避免智能映射每个独立软件线程变得更加复杂,这种方法的缺点是没有并行使用集群器,所以没有发挥多核处理器的全部潜能。

另一个最新的方法是把大小处理器整合成一对固定的处理器,操作系统负责管理每个大小处理器,将其视为一个电压/频率工作点扩展的单一抽象处理器,这种方法的缺点是在集群器之间频繁移植软件具有一定的风险,抽象处理器的工作模式配对不是原生的,因为在硬件上,工作点是由集群器实现的

[1] [2]

关键字:爱立信  移动平台  多核  处理技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1014/article_20001.html
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